水中重金属在线监测技术研究

王嘉媛

（吉林省通化生态环境监测中心，吉林 通化 134000）

引言

自2002年起，我国出台了《地表水和污水检测技术规范》，对水中重金属监测工作提出了更具体的要求，水环境中存在的As、Hg、Cr、Pb等各类重金属被列为重点监测指标。在规章制度落实二十余年以来，水中重金属监测技术不断完善，国家对相关工作的重视程度也大幅提升，水环境监测也相应成为环保领域的重要组成部分。因而，相关从业人员需要进一步深入探索各类新技术，并将其应用于自身工作，使水环境污染得到有效防治。

1 水中重金属在线监测技术现状

1.1 水中重金属监测技术概述

1.1.1 常用的监测技术

现阶段我国水中重金属监测技术大部分仍停留在实验阶段，较为常用的检测方法为原子吸收分光光度法、电感耦合等离子-质谱法、化学比色法寄电化学分析法等，其中原子吸收分光光度法又可细分为石墨原子化原子吸收分光光度法和氢化物发生原子吸收分光光度法等。在实际监测环节常用的监测手段为石墨原子化原子吸收分光光度法，在此基础上也可与化学方法联合使用，如X射线荧光法与中子活化法等[1]。

1.1.2 监测技术的局限性

石墨原子化原子吸收分光光度法在使用过程中存在一定局限性，往往使用一次仅能检测出一种重金属元素，因而整体效率相对不高，而电感耦合等离子-质谱法则可实现一次性检测多种重金属元素的目标。但无论何种检测方法都存在检测机械设备自身成本与维护成本相对较高的问题，无形中制约了检测手段的使用。所以在水中重金属在线监测过程中，各类检测手段都难以真正发挥作用[2]。

1.2 其他先进的监测技术

由于我国水中重金属在线监测工作起步相对较晚，相关监测技术仍不完善，需要在后续发展过程中进一步吸收国外先进工作经验，以使自身的工作得到不断地完善。国外相关领域中较为常用的监测技术为比色法与电化学分析法，其中比色法也可称为分光光度法，是水环境监测工作中常用的化学分析策略。重金属电化学分析法于1959年由化学家海洛夫斯基发明，并在后续的应用过程中不断完善，现阶段在国际上已经取得了较为理想的应用效果。但我国相关工作起步较晚，重金属监测一般仅以六价铬为主，其他重金属的监测技术则相对不完善，在线监测产品数量不多。大部分从事相关业务的公司也仅以海外产品代理为主，具备水中重金属在线监测产品自主知识产权的公司少之又少，因而整体而言重金属监测技术仍具备较大发展空间[3]。

1.3 比色法重金属在线监测技术

比色法是水环境在线监测中常用的手段，其工作原理为Lambert-Beer定律，依照定律可知重金属离子在特定条件下将与试剂发生化学反应，生成新物质，而所生成的新物质普遍能够吸收特定波长的光。因而检测过程中一般使用单色光通过溶液，再依照溶液吸光度判定新生成的化学物质的浓度。从操作优势看，比色法涉及的原理易懂，操作手法简单，对设备要求较低，一般情况下仅使用分光光度计即可，因而在实验室重金属监测中的应用范围较广。在水中重金属在线监测工作中使用比色法完成在线分析时，操作人员需要选择对应的显色剂，将工作重点放在降低其他金属的干扰方面。同时也需要注意保持实验室单色光的可靠性与稳定性，做好光强检测系统的维护工作，确保系统能够正常发挥作用[4]。

在选择显色剂时，针对不同重金属需要配置不同的显色剂，如检测砷时需要使用银盐与铅，检测锌时需要使用双硫腚等，而检测镍时则需要使用定丁二酮肟。在此基础上也需要注意最大限度地消除其他金属对被监测重金属的干扰，因而需要采用相应的手段，如使用掩蔽剂与氢化物发生剂等。采取比色法对水中重金属进行监测时，经常是一种设备仅能监测一种重金属，难以同时监测多种不同的重金属。同时，操作人员可以对被测重金属进行分析，利用一次在线分析仪检测重金属总量与离子态，使资源得到最大限度地利用[5]。

比色法也存在自身的局限性，其中最明显的局限性为灵敏度相对不高，对被测定的重金属含量较高的样本检测更准确，但其他情况下的监测工作则可能存在不足。一般情况下与比色法适用的水环境主要为饮用水，当饮用水中含有较多锌离子或铜离子时检测结果更加精准。此外，比色法对高浓度废水中的重金属检测也相对准确，如电镀废水和采矿废水等，都可以使用比色法完成在线监测。但对于被检测重金属含量不高的样本，如地表水、污水处理设备排放口等，比色法则难以满足其监测需求，一般情况下不宜使用。同时，使用比色法时也需要考虑部分重金属所使用的显色剂或掩蔽剂等可能存在安全隐患，对操作人员的健康状况造成一定的不利影响，例如在检测砷的过程中，现阶段部分厂商使用氢化物完成检测，而氢化物与砷发生化学反应后产生的砷化氢为剧毒气体，可能对操作人员造成严重的潜在威胁。最后使用比色法也需要考虑干扰问题，样本颜色与浓度都可能受到干扰，而且重金属本身也可能彼此干扰，例如检测铅时需要使用双硫腙，但双硫腙自身又可能与锌、铜、镍等各类其他重金属发生化学反应，生成其他颜色的化学物质，所以仅采取双硫腙对样本进行在线分析时，样本中重金属的成分难以准确地被测出[6]。

1.4 电化学法重金属在线监测技术

电化学法在现阶段水中重金属在线监测工作中也较为常用，此方法主要借助化学变化与电学领域出现的各类现象，不仅在水环境监测中应用范围较广，也为其他领域贡献了较多力量。当监测到样本中的μg/L数量级重金属时，一般需要使用电化学法中的溶出分析技术，主要参考电变化测定重金属数量。电化学溶出分析共包括三个环节，其一为预电解富集。样本在处理后需要依照对应顺序将其注入电解池，再给电解池增加电压，使被测组完成预电解富集，被测重金属也将富集在电极中。然后进行第二环节，此环节需要保持电解池处于静止状态，并使用特定手段保持重金属始终处于电极中，再消除样本中的气体，避免其对监测结果产生干扰。最后进行溶出环节，此环节需要将富集在电极上的重金属物质从电极中溶出，从而确定组分，再依照波形判定被测重金属的浓度。从电化学分析法整体应用环节看，其中最重要的部分为工作电极，现阶段国内常用的工作电极为液态汞、汞膜、炭糊、铂电极等[7]。

电化学溶出分析法在检测水中重金属时也具备一定优势，其中最主要的优势在于定量较为精准，当工作电极与分析环境适宜时，水中重金属的定量分析可精确至μg/L，且能在定量的同时明确样本中的不同重金属，而分析过程对操作人员的安全影响较小，基本生成较具危害性的物质。但电化学溶出分析法也容易被存在于样本中的有机物影响，因而需要经过复杂的预处理流程。

一般情况下，电化学溶出分析法仅用于分析水环境中的金属离子总量，如分析总铅或总镉等，但当工作电极为液态汞或汞膜时，分析环节将存在汞，从而在一定程度上影响实验室环境与操作人员的健康，这也是电化学溶出分析法尚未得到推广普及的原因之一。

现阶段，部分公司推出了无汞电化学溶出分析设备，并在技术上取得了一定的创新，如HMA-2000系列设备使用了铋膜电极，不仅对环境造成的污染较小，对操作人员的健康也不会造成影响，而且该设备的性能也较为理想，甚至优于国外先进分析设备[8]。

2 水中重金属在线监测技术的发展趋势

水中重金属在线监测技术是新时代环保事业中不可或缺的内容，但相关监测环节可能在一定程度上存在破坏环境或威胁操作人员健康的问题。为避免此类问题出现，落实绿色检测理念尤为重要。对此情况进行分析可知，由于近年来环境污染程度加深，水体中存在重金属的概率也大幅提升，水中重金属在线监测产品的需求量也随之增加，而且检测工作旨在改善水环境，因而检测技术与检测环节自身的环保性也较为重要。在此情况下，自身可能生成重金属的在线监测技术无法获得认可，因而在水中重金属在线监测工作中急需应用绿色监测技术。

采取比色法对水中重金属进行监测的手段相对较为传统，接受度也相对较高，在现阶段水中重金属在线监测产品中应用范围较广，因而具备较为广阔的发展前景，尤其是对自身环境质量要求较高的水环境进行在线监测或需要在保护动植物的情况下完成监测时，比色法的应用概率更高，也是最为理想的监测技术之一。例如在使用SIA-2000系统设备时，应用比色法需要依次注入小体积样本，检测的精准度可达到μL，对试剂的消耗也相对较少，与传统比色法相比，试剂消耗情况仅为十分之一至五分之一之间。由此可见，使用比色法整体成本相对更低，在未来水中重金属在线监测工作中具备较为理想的发展前景[9]。

电化学溶出法的最大优势在于精准度较高，尤其在检测地表水或饮用水时，此类水体中含有的重金属元素并不多，因而对检测精准度要求更高。一般情况下，此类水体中的重金属含量仅为μg/L，即使工业废水排放口的重金属含量也仅为几十μg/L至几百μg/L之间，电化学溶出分析技术更适用于检测含量较低的重金属，因而在此类监测中的适用性更强。但对电化学溶出分析法的工作原理进行研究可知，此方法可能使用液态汞或汞膜，因而监测环节对环境造成的污染，也可能影响操作人员的健康。在绿色监测理念不断深入人心的新时代，电化学溶出分析法也需要不断改进，尽量避免使用液态汞或汞膜等作为电极，而要使用无汞电极，这样才能使电化学溶出分析法的优势得到充分发挥。

3 水中重金属在线监测设备不足

为使水中重金属得到更加精准的监测，相关从业人员仍需进一步分析在线监测设备的不足，其中最重要的问题是现阶段尚不具备重金属在线分析产品检定规程，因而难以保障重金属在线监测设备的质量，设备的整体质量参差不齐。例如比色法分析设备自身存在精准度相对不高的局限性，难以分析μg/L以下的重金属含量。但部分厂商仅注重眼前利益，过度宣传比色法分析设备，干扰了重金属检测设备的市场秩序。此外，由于重金属在线分析检定规程缺失，相关计量认证也存在阻碍，部分公司仅注重短期利益，采用不正当的竞争手段，在销售过程中进行虚假宣传，无形中也对监测市场造成不利影响。在重金属在线监测结果验收方面，现阶段也缺乏统一的标准，因而对后续在线监测设备的运营产生了一的定影响，使相关工作面临难以精准落实的问题。种种问题都将对水中重金属在线监测工作造成不利影响，因而需要相关从业人员进行深入分析，并采取相应策略，不断完善相关工作。

4 结语

综上所述，保护生态环境已经成为新时代发展的重要主题之一，具体环保工作涵盖了水环境保护、大气环境保护、土壤环境保护等，其中水环境保护工作尤为重要。在开展水环境保护工作的过程中，工作人员需要先了解水环境中存在的各类重金属，以便后续采取对应的治理策略。在此过程中，水中重金属在线监测工作是获得相关信息的重要渠道，所以相关从业人员需要全面掌握各类先进的在线监测方法，并对未来监测工作的发展趋势作好预测，从而使水中重金属在线监测工作日臻完善，为环境保护事业贡献力量。